Materia, sustancias y mezclas
Lo que vas a aprender
- Clasificar un material como elemento, compuesto, mezcla homogénea o mezcla heterogénea.
- Distinguir una propiedad física de una propiedad química, y un cambio físico de uno químico.
- Calcular la densidad de una muestra y la masa de cada componente de una mezcla.
- Elegir un método de separación y decir en qué propiedad se basa.
Para qué
¿Para qué sirve esto?
En tu casa hay química por todas partes. Cuando cuelas el café, cuando dejas reposar el agua de una olla para que el barro se vaya al fondo o cuando el agua de una sopa se evapora y en la olla queda una costra blanca, estás separando mezclas. Cuando un clavo se oxida o una arepa se quema, en cambio, aparece una sustancia nueva.
Saber qué es una sustancia y qué es una mezcla te permite predecir qué se puede separar y cómo hacerlo. Así se potabiliza el agua, se refina el petróleo y se recupera la sal en las salinas. En esta lección vas a ordenar la materia en clases y a conocer los métodos que se usan para separar sus componentes.
Antes de empezar necesitas recordar los estados de la materia (sólido, líquido y gas) y cómo se calcula un porcentaje.
Explicación
Sustancias puras y mezclas
Materia es todo lo que tiene masa y ocupa espacio: el aire, el agua, tu cuaderno y tú mismo. Para estudiarla, la química la clasifica según su composición.
Una sustancia pura tiene siempre la misma composición y las mismas propiedades, venga de donde venga la muestra. Hay dos clases:
- Un elemento está formado por átomos de una sola clase. El hierro, el cobre y el oxígeno son elementos. Ojo: un elemento no es lo mismo que un átomo. Un clavo de hierro es un trozo del elemento hierro y tiene una cantidad enorme de átomos de hierro. Y el oxígeno del aire está en moléculas de dos átomos, O₂, pero sigue siendo un elemento, porque los dos átomos son de la misma clase.
- Un compuesto está formado por dos o más elementos unidos químicamente en una proporción fija. El agua, H₂O, es un compuesto de hidrógeno y oxígeno; la sal de cocina, NaCl, es un compuesto de sodio y cloro. Un compuesto tiene propiedades propias, muy distintas de las de sus elementos, y solo se descompone en ellos por medios químicos.
La fórmula de un compuesto dice qué elementos lo forman y en qué proporción. Por eso, en cualquier muestra de agua pura, la proporción entre la masa de oxígeno y la de hidrógeno es la misma, sea una gota o un tanque.
Una mezcla es la unión de dos o más sustancias que no se combinan químicamente. Cada componente conserva sus propiedades, la composición puede variar (el agua puede llevar poca o mucha sal) y los componentes se separan por medios físicos. Hay dos clases:
- En una mezcla homogénea no se distinguen las partes, ni siquiera con lupa: el agua con sal disuelta, el aire limpio o el agua con azúcar. A las mezclas homogéneas líquidas también se les llama soluciones.
- En una mezcla heterogénea se ven partes distintas: el agua con arena, el agua con aceite o una ensalada.
Propiedades físicas y químicas
Una propiedad física se observa o se mide sin que la sustancia se convierta en otra: el color, el estado, la densidad, la temperatura de ebullición o la capacidad de disolverse en agua. Una propiedad química describe cómo una sustancia se transforma en otra: que el hierro se oxida con el aire húmedo o que el papel arde.
De la misma forma, en un cambio físico la sustancia sigue siendo la misma (el hielo que se derrite sigue siendo agua) y en un cambio químico aparece una sustancia nueva (la ceniza y los gases que deja el papel al arder).
La densidad es la masa que hay en cada unidad de volumen:
$$\rho = \frac{m}{V}$$
Si partes un trozo de metal en dos, cada mitad tiene la mitad de la masa y la mitad del volumen, así que la densidad no cambia. Por eso la densidad ayuda a reconocer una sustancia: no depende del tamaño de la muestra.
Métodos de separación
Para separar una mezcla se aprovecha una propiedad física en la que sus componentes son distintos:
- Filtración: separa un sólido que no se disuelve de un líquido, por el tamaño de las partículas. El papel de filtro deja pasar el líquido y retiene el sólido, como al colar el café.
- Decantación: separa dos líquidos que no se mezclan, o un sólido que se va al fondo, por la diferencia de densidad. Se deja reposar y se retira la capa de arriba; con agua y aceite se usa un embudo de decantación.
- Evaporación: separa un sólido disuelto de un líquido calentando hasta que el líquido se convierte en gas. El sólido queda en el recipiente, pero el líquido se pierde. Se basa en que el líquido pasa a gas con mucha más facilidad que el sólido.
- Destilación: separa líquidos mezclados, o un líquido de un sólido disuelto, por la diferencia en la temperatura de ebullición. El componente que hierve primero se convierte en vapor, el vapor se enfría en un tubo y vuelve a ser líquido en otro recipiente. A diferencia de la evaporación, se recupera el líquido.
Ningún método físico separa un compuesto en sus elementos: con un filtro o un destilador, el agua sigue siendo agua. Para eso hace falta un cambio químico.
En todos estos procesos la masa se conserva: la masa de una mezcla es la suma de las masas de sus componentes, y al separarlos (si nada se pierde) vuelves a obtener esas masas.
Ejemplo resuelto
La proporción fija de un compuesto
Con las masas escolares H = 1 y O = 16, ¿cuántas veces es la masa de oxígeno la de hidrógeno en el agua, H₂O? Si una muestra de agua pura tiene 4 g de hidrógeno, ¿cuántos gramos de oxígeno tiene?
Ver la solución paso a paso
En la fórmula H₂O hay dos átomos de hidrógeno por cada átomo de oxígeno. Dividimos la masa del oxígeno entre la de los dos hidrógenos:
$$\frac{M_m\left(\mathrm{O}\right)}{\text{átomos de H en }\mathrm{H_{2}O} \cdot M_m\left(\mathrm{H}\right)}$$
Con las masas escolares:
$$\frac{16}{2 \cdot 1}$$
En el agua, la masa de oxígeno es 8 veces la de hidrógeno, en cualquier muestra.
$$8$$
Si la muestra tiene 4 g de hidrógeno, el oxígeno pesa 8 veces eso:
$$4 \cdot 8$$
La muestra tiene 32 g de oxígeno.
$$32$$
Respuesta: $32$
Ejemplo resuelto
La densidad no depende del tamaño
Un trozo de un metal tiene 27 g y ocupa 10 cm³. Otro trozo del mismo metal tiene 81 g y ocupa 30 cm³. Calcula la densidad de cada uno.
Ver la solución paso a paso
Densidad del primer trozo, en g/cm³:
$$\frac{27}{10}$$
$$2{,}7$$
Densidad del segundo trozo:
$$\frac{81}{30}$$
$$2{,}7$$
Las dos densidades son iguales, aunque el segundo trozo tiene el triple de masa:
$$\frac{27}{10} = \frac{81}{30}$$
Respuesta: Los dos trozos tienen una densidad de 2,7 g/cm³: la densidad es una propiedad de la sustancia, no del tamaño de la muestra.
Ejemplo resuelto
Recuperar la sal por evaporación
Tienes 250 g de agua salada con un 8 % de sal en masa. Si evaporas toda el agua, ¿cuántos gramos de sal quedan en el recipiente y cuántos gramos de agua se van como vapor?
Ver la solución paso a paso
La sal es el 8 % de la masa de la mezcla:
$$\frac{250 \cdot 8}{100}$$
Quedan 20 g de sal.
$$20$$
La masa se conserva: el agua es la masa de la mezcla menos la de la sal.
$$250 - 20$$
$$230$$
Comprobamos: sal más agua da la masa de la mezcla.
$$20 + 230 = 250$$
Respuesta: Quedan 20 g de sal y se evaporan 230 g de agua. Con evaporación el agua se pierde; para recuperarla habría que destilar.
Práctica
Disuelves 15 g de azúcar en 185 g de agua. ¿Cuál es la masa de la mezcla, en gramos?
Al disolver, la masa se conserva: 15 g + 185 g = 200 g. El azúcar no desaparece; queda repartido en el agua.
En la mezcla de 15 g de azúcar con 185 g de agua, ¿qué porcentaje de la masa es azúcar?
La mezcla pesa 200 g, y 15 de 200 es el 7,5 %. Con más azúcar el porcentaje cambiaría: la composición de una mezcla puede variar.
Una muestra de un líquido tiene 46 g y ocupa 50 cm³. ¿Cuál es su densidad, en g/cm³?
ρ = m/V = 46 g ÷ 50 cm³ = 0,92 g/cm³. El 1,09 sale de dividir al revés, volumen entre masa.
¿Verdadero o falso? Con las masas escolares H = 1 y O = 16, en el agua oxigenada, H₂O₂, la masa de oxígeno es 8 veces la de hidrógeno, igual que en el agua.
En H₂O₂ hay dos oxígenos por cada dos hidrógenos: 2 · 16 ÷ (2 · 1) = 16. Agua y agua oxigenada tienen los mismos elementos, pero en otra proporción, y por eso son compuestos distintos.
La glucosa es un compuesto de fórmula C₆H₁₂O₆. ¿Cuántos átomos en total tiene una molécula de glucosa?
6 de carbono, 12 de hidrógeno y 6 de oxígeno: 24 átomos de tres elementos distintos.
Una mezcla de arena y agua tiene una masa de 200 g. Después de filtrarla y secar la arena, la arena pesa 48 g. Si no se perdió nada, ¿cuántos gramos de agua tenía la mezcla?
La masa de la mezcla es la suma de las de sus componentes: 200 g − 48 g = 152 g de agua.
Evaporas por completo 80 g de agua salada que tiene un 4 % de sal en masa. ¿Cuántos gramos de sal quedan?
El 4 % de 80 g es 80 · 4 ÷ 100 = 3,2 g. El agua se va como vapor y la sal queda en el recipiente.
Marca todas las mezclas homogéneas.
Marca todas las que apliquen.
En el agua con sal y en el aire no se distinguen partes: son homogéneas. El agua con arena y el agua con aceite son heterogéneas. El agua pura no es una mezcla: es un compuesto.
¿Cuál de estas es una propiedad química del hierro?
Al oxidarse, el hierro se convierte en una sustancia nueva, el óxido. Las otras tres se observan sin que el hierro deje de ser hierro: son propiedades físicas.
Reto
Lleva cada material a su canasta.
Arrastra cada material a «Elemento», «Compuesto» o «Mezcla». Pista: mira si tiene átomos de una sola clase, si es una sola sustancia o si son varias juntas.
Reto
Abre el candado de las mezclas.
Cada respuesta es una cifra del código. Recuerda que la masa de una mezcla es la suma de las masas de sus componentes.
Reto
El crucigrama de la materia.
Lee cada pista y escribe la palabra. No lleva tildes.
Cierre
En resumen
La materia se clasifica en sustancias puras (elementos y compuestos) y mezclas (homogéneas y heterogéneas).
Un elemento tiene átomos de una sola clase; un compuesto une dos o más elementos en una proporción fija que da su fórmula.
Una mezcla tiene composición variable, sus componentes conservan sus propiedades y se separan por medios físicos.
Las propiedades físicas se miden sin cambiar la sustancia; las químicas dicen cómo se transforma en otra.
Filtración, decantación, evaporación y destilación se basan en el tamaño de partícula, la densidad y la facilidad para pasar a gas o la temperatura de ebullición.
Vocabulario
- Materia
Todo lo que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio.
- Sustancia pura
Materia de composición fija, con propiedades que no cambian de una muestra a otra. Puede ser un elemento o un compuesto.
- Elemento
Sustancia pura formada por átomos de una sola clase. No se puede descomponer en otras sustancias más simples por medios químicos.
- Compuesto
Sustancia pura formada por dos o más elementos unidos químicamente en una proporción fija.
- Mezcla
Unión de dos o más sustancias que no se combinan químicamente; su composición puede variar y sus componentes se separan por medios físicos.
- Densidad
Masa de una sustancia por cada unidad de volumen. Es una propiedad física que no depende del tamaño de la muestra.
Guía para el docente
Tiempos
- Inicio · 5 min — Muestre un vaso con agua y sal, otro con agua y arena y otro con agua sola, y pregunte qué tienen en común y en qué se diferencian.
- Explicación · 20 min — Clasificación de la materia, propiedades y métodos de separación; los tres ejemplos en el tablero.
- Práctica · 20 min — Preguntas y retos en parejas; las canastas se pueden proyectar y discutir en grupo.
- Cierre · 5 min — Que cada estudiante nombre una mezcla de su casa y el método con que la separaría.
Preguntas para el salón
- El oxígeno del aire está en moléculas O₂. ¿Por qué es un elemento y no un compuesto?
- ¿Por qué con un filtro no se puede separar la sal del agua salada?
- Si parte una barra de metal por la mitad, ¿qué le pasa a su densidad? ¿Por qué?
- ¿Qué método separa el agua del aceite aprovechando que no se mezclan y que tienen distinta densidad?
Errores típicos
- Creer que toda sustancia con fórmula de varios átomos es un compuesto, como el O₂. Pida que cuenten cuántas clases de átomos hay en la fórmula, no cuántos átomos.
- Pensar que el agua con sal es una sustancia pura porque se ve uniforme. Evapore un poco en una cuchara para mostrar el residuo, y recuerde que homogéneo no quiere decir puro.
- Confundir evaporación con destilación. Pregunte qué componente se quiere recuperar: si es el líquido, hace falta condensar el vapor.
Tarea sugerida
Hacer una lista de diez materiales de la casa, clasificar cada uno como elemento, compuesto o mezcla, y proponer un método para separar dos de las mezclas.